[发明专利]一种基于同心球二次成像的光学成像系统

说明书

本发明涉及成像光学系统设计领域，特别是一种基于同心球二次成像的光学成像系统。该系统包括同心球物镜和子孔径相机阵列，子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm，实现了同时满足宽视场和高分辨的要求，而且与机械扫描不同，采用直接获取整个视场角内的图像，能够用于动态场景。

技术领域

本发明涉及成像光学系统设计领域，特别是一种基于同心球二次成像的光学成像系统。

背景技术

宽视场高分辨率成像一直是现代光电(EO)和红外(IR)成像系统追求的目标。成像系统分辨率需求按照正常人眼视觉分辨率估算，每像素对应的瞬时视场约0.016°(1角分)，以这样的分辨率在水平和竖直两个维度对O(10²°)量级视场的场景进行成像，就需要O(10⁸)即上亿量级的成像像素。1亿像素量级的图像传感器虽然已经能够设计并制造，但是其成本较高，技术成熟度还很低。利用成熟的小像素数传感器进行直接拼接也可以获得大规模像素传感器，但拼接实施的技术难度较大，目前只在天文、航天等领域使用。即使大规模像素的图像传感器技术(单块或直接拼接)完全成熟，利用单块或拼接的大规模像素图像传感器配合单个光学系统在大视场下实现像差校正和高质量高分辨率成像，所需要的光学系统在现有技术条件下设计和加工装调也都具有相当的难度。另一方面，如果采用机械扫描的方法进行宽视场高分辨率成像，则完整成像需要的时间长，且帧与帧之间存在时间间隔，因此仅对静态场景有效。对于大范围持续监视等相关应用，要在单次曝光的时间范围内进行大视场成像，且不丢失目标的细节信息，只能采用凝视成像的方法，机械扫描的方法获取高分辨率大视场的方法适用范围受限。

视场大小和分辨率之间存在着相互制约的关系，往往需要牺牲一项指标来使另一项达到使用要求，比如鱼眼镜头，虽然可实现超过180°的大视场凝视成像，但是其空间分辨率被相应降低，同时还存在严重的畸变。而通过机械扫描的方法，可将小视场高分辨成像系统的视场扩大，但是这种以扫描方式所获得的图像在帧与帧之间存在着时间间隔，只能应用于静态场景，无法满足有实时性要求的应用场合，因此，现有的动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同心球二次成像的光学成像系统，用以解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。

为了实现光学成像，解决现有动态应用的成像光学系统很难同时满足宽视场和高分辨要求的问题。本发明提供一种基于同心球二次成像的光学成像系统，包括同心球物镜和子孔径相机阵列，所述子孔径相机阵列由至少两个子孔径相机构成，子孔径相机包括二次成像镜头和图像传感器，各子孔径相机的光轴通过所述同心球物镜的中心，各图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成所述光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，所述光学成像系统的焦距大于或者等于37mm。

有益效果是，通过设置上述的结构，将图像传感器布置在同一球面上，相邻子孔径相机的视场重叠，所有子孔径相机的视场叠加构成光学成像系统的视场角大于或者等于120°×70°，物方角分辨率为50μrad，实现了同时满足宽视场和高分辨的要求，而且与机械扫描不同，采用直接获取整个视场角内的图像，能够用于动态场景。

进一步地，为了提高分辨率要求，所述光学成像系统的总像素数为43200×25200，F#为3，工作波段为480nm～650nm。